實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)理論化 科學(xué)家揭示現(xiàn)代玉米雜交種優(yōu)勢(shì)群遺傳規(guī)律

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所玉米優(yōu)異種質(zhì)資源發(fā)掘與創(chuàng)新利用團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所等單位研究揭示了玉米父、母本雜種優(yōu)勢(shì)群趨同與趨異選擇的遺傳規(guī)律，解析了玉米基因組分化特征及其對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)的貢獻(xiàn)，通過總結(jié)過去，將玉米育種實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)理論化，為新時(shí)期玉米自交系創(chuàng)制和雜種優(yōu)勢(shì)利用提供理論指導(dǎo)。7月18日，相關(guān)研究成果在《自然-植物（Nature Plants）》在線發(fā)表。

據(jù)王天宇研究員介紹，玉米雜交種（單交種）與其父母本相比，具有很強(qiáng)的雜種優(yōu)勢(shì)。玉米單交種自從20世紀(jì)60年代開始在生產(chǎn)上大面積推廣，迄今其利用率已達(dá)到近100%。玉米單交種是由分別來自母本雜種優(yōu)勢(shì)群和父本雜種優(yōu)勢(shì)群的自交系雜交組配而成，而雜優(yōu)模式是指特定的母本群和父本群中個(gè)體雜交后具有強(qiáng)雜種優(yōu)勢(shì)的配組方式。國內(nèi)外半個(gè)多世紀(jì)的育種史表明，玉米單產(chǎn)水平的提升主要取決于父、母本雜種優(yōu)勢(shì)群的持續(xù)改良和雜優(yōu)模式的優(yōu)化。然而，現(xiàn)代育種過程中父、母本雜種優(yōu)勢(shì)群的遺傳改良規(guī)律及其基因組學(xué)基礎(chǔ)尚不清楚。

玉米種質(zhì)資源的雜種優(yōu)勢(shì)群劃分

該研究收集整理了1604份國內(nèi)外不同育種時(shí)期、不同雜種優(yōu)勢(shì)群的代表性玉米自交系，覆蓋了全球主要玉米主產(chǎn)區(qū)育種應(yīng)用的父本群和母本群，并針對(duì)21個(gè)農(nóng)藝性狀開展了多環(huán)境、多角度的表型精準(zhǔn)鑒定和基于重測(cè)序的基因型精準(zhǔn)鑒定。通過對(duì)超過305萬個(gè)表型數(shù)據(jù)點(diǎn)和2.2億個(gè)遺傳變異位點(diǎn)的分析，發(fā)現(xiàn)父本群和母本群的農(nóng)藝性狀改良既存在趨同選擇也存在趨異選擇。趨同選擇性狀多與耐密高產(chǎn)育種目標(biāo)相關(guān)，表現(xiàn)為父母本群均向花期更早熟、散粉-吐絲間隔期更短、穗位更低、雄穗分枝數(shù)更少、產(chǎn)量更高、行粒數(shù)更多、出籽率更高、籽粒更大、粒重更重方向改良；而趨異選擇性狀可能與母本及其雜交種的熟期和籽粒脫水速率相關(guān)，表現(xiàn)為穗粗、穗行數(shù)、軸重性狀在母本群中降低，而在父本群中增加。在此基礎(chǔ)上，挖掘出一批與父、母本雜優(yōu)群性狀趨同和趨異選擇的重要基因和等位基因，且發(fā)現(xiàn)父、母本雜優(yōu)群中有利等位基因積累的多少與趨同和趨異性狀改良呈高度相關(guān)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代育種過程中父、母本雜優(yōu)群之間一些基因組區(qū)域的遺傳分化不斷增強(qiáng)，并且這些基因組區(qū)段或基因的持續(xù)分化是決定玉米雜種優(yōu)勢(shì)的重要遺傳學(xué)基礎(chǔ)。此外，進(jìn)一步驗(yàn)證了兩個(gè)現(xiàn)代育種過程中趨同選擇基因ZmEMF1L1和 ZmKW10和一個(gè)分化基因ZmKOB1在調(diào)控玉米開花期、籽粒大小和雜種優(yōu)勢(shì)方面的作用。本研究為玉米雜交種父、母本雜優(yōu)群的遺傳改良、強(qiáng)優(yōu)勢(shì)雜交種的選育及全基因組選擇育種技術(shù)的開發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)與基因資源。

作科所李春輝副研究員為第一作者，作科所關(guān)紅輝博士、諾禾致源荊鑫、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)李耀耀博士、中國農(nóng)科院生物技術(shù)研究所王寶寶研究員為并列第一作者；作科所王天宇研究員、黎裕研究員，華南農(nóng)大王海洋教授、加州大學(xué)戴維斯分校Jeffrey Ross-Ibarra教授、諾禾致源焦成智為共同通訊作者。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國農(nóng)科院科技創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的資助。

科普中國智惠農(nóng)民

學(xué)術(shù)支持

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院

制作

光明網(wǎng)科普事業(yè)部

記者

宋雅娟 張蕃